Suomestako uuden akkuteknologian edelläkävijä?

Professori Ulla Lassin tutkimusryhmässä Oulun yliopiston Kokkolan yliopistokeskuksessa kehitetään sekä akkukemikaaleja litiumioniakkuihin että katalyyttejä. Ryhmässä etsitään myös valmistusmenetelmiä, jotka voidaan skaalata teolliseen mittakaavaan. Tulevaisuuden lupaava vaihtoehto on painettava akkuteknologia, jossa nykykennojen nestemäinen elektrolyytti korvataan kiinteällä, jauhemaisella aineella, mikä mahdollistaisi akkukennojen painamisen rullalta rullalle -menetelmällä.

Tutkijana Ulla Lassia motivoi yhteistyö teollisuuden kanssa. Kuva: Mikko Törmänen.

Kokkolassa suunnataan kohti tulevaisuuden akkuja

 

Kokkola on erinomainen paikka tutkia akkukemikaaleja, koska Keski-Pohjanmaan litiumvarannot on arvioitu Euroopan suurimmiksi. Litiumia esiintyy Pohjanmaalla spodumeenimineraalina, ja Geologian tutkimuskeskus on arvioinut litiumvarantojen riittävän 10-15 vuodeksi. Suomalainen Keliber-yritys suunnittelee Kokkolaan litiumkemiantehdasta ja aikoo hyödyntää paikallista litiumia. Professori Ulla Lassilla on paljon tutkimusyhteistyötä paikallisen teollisuuden kanssa.

”Parasta työssäni on juuri teollisuusyhteistyö, joka motivoi ja luo sopivasti painetta onnistumiseen, jotta saamme tutkimuksen hedelmät hyötykäyttöön ja sovelluksiin”, Lassi toteaa innostuneesti.

”Kokkolan ja Suomen mahdollisuudet ovat akkuarvoketjun alkupäässä, raaka-aineissa ja niiden jalostuksessa. Erityisesti litiumin suhteen olen toiveikas, koska litium on varsin tärkeä aine tulevaisuuden akuissa. Menestymisen edellytys on, että olemme entistä enemmän mukana kansainvälisessä teollisessa yhteistyössä ja verkostoissa”, hän jatkaa.

Litiumioniakku on Nobelilla palkittua teknologiaa

 

Energian varastointiin kehitetyn litiumioniakun kehittäminen nykymuotoiseksi vei vuosikymmeniä ja alkoi jo 1970-luvulla. Kolme keskeistä kehittäjää, John B. Goodenough, Stanley Whittingham ja Akira Yoshino, palkittiin vuoden 2019 kemian Nobel-palkinnolla. Lähes jokainen meistä kantaa mukanaan litiumioniakkua matkapuhelimessa ja tietokoneessa.

Akku sisältää kaksi elektrodia, anodin ja katodin, separaattorin, virrankeräimet sekä elektrolyyttiliuoksen. Akun toiminta perustuu sähkövirtaa synnyttävien elektronien liikkeeseen ja akkukennoissa tapahtuviin sähkökemiallisiin hapetus-pelkistysreaktioihin. Hapettumisessa anodilla vapautuu elektroneja, jotka katodimateriaali ottaa vastaan pelkistymisessä.

Akkujen anodimateriaalina on yleisimmin grafiitti. Ulla Lassin tutkimuksen kohteena ovat katodimateriaalit, jotka ovat litioituja siirtymämetallioksideja, koboltti-, mangaani- ja nikkelioksideja.

Lassin ryhmässä metallioksideja tutkitaan myös muihin sovelluksiin kuten katalyytteihin. Oksideja valmistetaan kerasaostamalla koboltista, mangaanista ja nikkelistä hydroksidia, joka kalsinoidaan oksidiksi.

”Valmistus on aika helppoa peruskemiaa, joka osataan, mutta tutkimuksemme haasteena on muokata metallihydroksidit tai karbonaatit ja edelleen oksidit sellaiseen muotoon, että niiden fysikaaliset ominaisuudet kuten morfologia, partikkelikoko ja tiheys ovat optimaaliset kulloiseenkin sovellukseen”.

Tutkijan haasteena on räätälöidä metallioksidi käyttökohteen mukaan. Akkuun menevä metallioksidi on rakenteeltaan erilaista kuin oksidi katalyytissä.

”Akkujen katodimateriaalilta vaaditaan korkeaa energiatiheyttä ja hyvää stabiilisuutta. Nikkelioksidipartikkeliin pitää saada energiatiheyden kasvattamiseksi mahdollisimman paljon massaa. Lisäksi materiaalia doupataan tai se pinnoitetaan stabiilisuuden ja syklattavuuden parantamiseksi”.

Aktiivista elektrodimateriaalia FESEM-mikroskooppikuvassa. Materiaalin partikkelikoko on 8 mikrometriä. Kuva: Ulla Lassi.

Testausta pussikennoilla

 

Kokkolan yliopistokeskuksen ja Oulun yliopiston laboratorioissa oksidien ominaisuudet tutkitaan ja sopivuus käyttökohteeseen testataan monin eri tavoin.

”Teemme akkukemikaaleista pieniä pussikennoja, akkukennoja, ja testaamme niitä hallitusti akkuja lataamalla ja purkamalla, mikä mallintaa akun toimintaa ja antaa tietoa käytettävyydestä ja materiaalien kestävyydestä”.

Pieni pussikenno, litiumioniakku, jonka sisällä ovat tarvittavat komponentit, anodi, katodi, separaattori, virrankeräimet ja elektrolyytti. Kuva: Ulla Lassi.

Tutkimuskohteena myös akkukemikaalien valmistaminen teollisessa mittakaavassa

 

Lassin ryhmässä etsitään myös hyviä, toistettavia teollisia valmistusmenetelmiä, jotka voidaan skaalata suurempaan teolliseen mittakaavaan jatkuvatoimisessa saostusreaktorissa. Muitakin valmistustapoja akkukemikaaleille löytyy, mutta kerasaostus on ainoa teollisen mittakaavan menetelmä.

Lassin ryhmässä valmistettuja litiumakkukemikaaleja on sellaisenaan jo käytetty kaupallisissa litiumioniakuissa mutta etsinnässä ovat myös aivan uudenlaiset, korvaavat materiaalit.

”Tutkimme uudenlaisia kobolttivapaita akkumateriaaleja, jotka voisivat tulla teolliseen tuotantoon lyhyellä aikavälillä. On kuitenkin muistettava, että koboltilla on keskeinen rooli akkukemiassa, ja kobolttivapaat kemiat vaativat myös uudenlaista lämpökäsittelyä ja kemiallista käsittelyä, jotta akkumateriaalin halutut ominaisuudet voidaan säilyttää”.

Täysin uusien akkuteknologioiden kuten natriumioniakkujen tutkimukseen Lassi ei ole ryhtynyt.

”Etsimme ratkaisuja, jotka tukevat tällä hetkellä vahvaa metallinjalostustoimintaa ja litiumkaivostoimintaa Suomessa, ja siksi pitäydymme litiumioniakkujen materiaaleissa. Lisäksi kiertotalouden kautta myös sivutuotteiden hyödyntäminen akkukemikaalien valmistuksessa avaa paljon uutta tutkittavaa ja uusia mahdollisuuksia”, hän perustelee.

Painotekniikka saattaa mullistaa akkukennojen valmistuksen

 

Ulla Lassi on vastuullisena johtajana mukana myös kahdessa hankkeessa, joissa litiumioniakkujen valmistukseen pyritään soveltamaan Oulun yliopiston painettavan elektroniikan osaamista yhteistyössä muun muassa VTT:n kanssa.

”Tavoitteena on uudentyyppisten akkukennojen valmistaminen siten, että kenno voidaan painaa rullalta rullalle -menetelmällä. Tästä saattaisi tulla uusi kennonvalmistustapa, joka mahdollistaisi ekologisempien ja turvallisempien akkujen valmistuksen”.

Painettava kennoteknologia tekisi tarpeettomaksi nykykennoissa käytetyn haitallisen elektrolyyttiliuoksen, jonka suola voi vapauttaa myrkyllistä vetyfluoridia akkuja kierrätettäessä.

”Pyrkimys on korvata nestemäinen elektrolyytti kiinteällä, jauhemaisella aineella, joka painetaan katodin pinnalle. Toistaiseksi kiinteän elektrolyytin ioninjohtokyky on ollut liian alhainen eikä riitä akkukäyttöön, mutta olemme jo saaneet kansainväliseltä partneriltamme erittäin lupaavan elektrolyyttimateriaalin kokeiltavaksi”.

Painettava akkuteknologia vaikuttaa lupaavalta, ja Lassin tulevaisuusvisioissa teknologiasta saattaisi tulla maahamme aivan uusi teollisuudenala.

”Suomesta voi tulla ehkäpä uuden, painamalla tehtävän akunvalmistusteknologian edelläkävijä”, hän kaavailee.

Metallioksideista kehitetään katalyyttejä vedenpuhdistukseen ja biomassan hyötykäyttöön

 

Lassin ryhmässä metallioksideja sisältäviä katalyyttejä suunnitellaan sekä vedenkäsittelyyn että biomassan katalyyttiseen hyödyntämiseen.

”Suomessa ei ole vielä teollisia sovelluksia, joissa katalyyttistä märkähapetusta sovelletaan, mutta tulevaisuudessa sille on käyttöä muun muassa mikromuovien ja lääkeainejäämien poistamiseksi vesistä. Tutkimme katalyyttistä vedenkäsittelyä yhteistyössä yrityksien kanssa”.

Ulla Lassi johtaa Oulun yliopistossa Kestävän kemian tutkimusyksikköä ja rakentaa tutkimuksellaan vihreämpää tulevaisuutta, jossa teollisissa prosesseissa, energiantuotannossa ja veden puhdistuksessa käytetään ympäristöystävällisiä ratkaisuja.

”Kemikaalien ja jätteiden haitallisia vaikutuksia ympäristöön ja terveyteen pyritään vähentämään, ja kestävän kemian visiossa kiertotalous on keskeistä”, Lassi määrittelee.

 

Jutun toimitus Sisko Loikkanen

Anu Hopia käynnisti molekyyligastronomisen tutkimuksen Suomessa

Molekyyligastronomiassa tutkitaan monipuolisesti ruokailukokemusta. Alalla työskentelee kemistien ja fyysikoiden lisäksi useiden eri alojen ammattilaisia kuten psykologeja, arkkitehtejä ja matemaatikoita. Tutkimukset ovat paljastaneet, että käytämme syödessämme haju- ja makuaistin lisäksi myös näkö-, kuulo- ja tuntoaistia. Moniaistisuus kiinnostaa professori Anu Hopiaa, joka toi molekyyligastronomian tutkimuksen Suomeen.  

Tutkimus on johdattanut Anu Hopian yhteistyöhön eri alojen ammattilaisten kuten kokkien, muusikoiden, arkkitehtien ja etnologien kanssa. Kuva: Sisko Loikkanen

Mullistava lukukokemus

 

Vuonna 1989 Turun yliopiston elintarvikekehityksen professori Anu Hopia hankki itselleen Harold McGeen kirjan ”On Food and Cooking – The Science and Lore of Kitchen”.

Lukukokemus sysäsi Hopian aivan uudelle tielle, molekyyligastronomian tutkijaksi ja pioneeriksi Suomessa.
”Kirja antoi opiskelualalleni elintarvikekemialle aivan uuden sisällön ja suunnan. Teoksessa kulttuuri sidottiin luonnontieteelliseen näkökulmaan, ja lähdin alalle ihastuneen uteliaana”, Hopia muistelee.

Amerikkalaisen McGeen teosta on luonnehdittu ruoanlaiton ja keittiökemian klassikoksi, johon johtavat keittiömestarit kautta maailman tukeutuvat. McGee itse ei ole kuitenkaan maineikas keittiömestari vaan kirjallisuustieteilijä, joka ensin opiskeli tähtitiedettä kuuluisassa Caltechissa mutta siirtyi kirjallisuustieteeseen ja väitteli tohtoriksi John Keatsin runoista Yalen yliopistossa. Hän on sittemmin julkaissut useita teoksia ruoanlaitosta ja luennoinut säännöllisesti Harvardin yliopistossa. McGee pitää myös kursseja Ranskalaisessa kulinaarisessa instituutissa New Yorkissa.

Molekyyligastronomia ymmärretään usein ruoanvalmistuksen kemian ja fysiikan tutkimiseksi mutta tutkimuskohde on paljon laajempi.

”Kyse on kemian ja fysiikan lisäksi ruoasta nauttimisen tieteellisestä tutkimuksesta. Ruokailukokemus nostettiin tasavertaiseksi tutkimuskohteeksi muiden elintarviketieteiden rinnalle, kun molekyyligastronomiasta tuli uusi tutkimussuunta 1980-luvun lopulla”.

Alan termistö on vaihtelevaa. Kun Suomessa puhutaan molekyyligastronomiasta, englanninkielisissä yhteyksissä kyse on gastronomian tieteestä, science of gastronomy tai gastrofysiikasta. Myös Tanskassa tutkijat käyttävät termiä gastrofysiikka.

Hopia korostaa että molekyyligastronomia on nimenomaan tieteellistä tutkimusta eikä tällä termillä tarkoiteta ollenkaan maineikkaiden ravintoloiden molekyylikokkausta.
”Molekyyligastronomia on monesti koettu ruoanlaiton yhdeksi genreksi, jota se ei kuitenkaan ole, eli kyse ei ole molekyylikokkauksesta”, Hopia painottaa.

”Keittiömestarit alkoivat kyllä soveltaa tutkijoiden kehittämiä teknologioita ja ideoita ja ottivat ne käyttöön keittiössä mutta haluavat irtisanoutua termistä molekyyligastronomia”.

Tutkijoiden innovoimista, ravintoloiden omaksumista tekniikoista Hopia mainitsee matalalämpökypsennyksen.

”Se tarkoittaa hidasta kuumennusta termostoidussa hauteessa asteen tarkkuudella säädellyssä lämpötilassa, esimerkiksi 54, 58 tai 62 Celsius-asteen lämpötilassa. Menetelmä on yleisesti käytössä ravintoloissa, ja monilla ruokaharrastajillakin on laitteisto nykyisin kotonaan”.

Koska molekyyligastronomian tutkimuskohde on laaja, on selvää että tutkimusalalla häärii monien eri alojen ammattilaisia, kemistejä, fyysikkoja, matemaatikkoja ja psykologeja.

”Oikeastaan vasta tutkimuskysymys määrittää, millä tutkimusvälineillä tai minkä teoreettisen viitekehyksen läpi tutkimusta tehdään. Olen itsekin yhteistyössä paitsi keittiömestareiden myös muusikoiden, matemaatikoiden, arkkitehtien ja etnologien kanssa”, Hopia kertoo.

Jotta uusia annoksia pystytään kehittämään ja muokkaamaan raaka-aineita entistä monipuolisemmin, tarvitaan tietoa kemiallisista ja fysikaalisista muutoksista ruoanvalmistuksen aikana.
”On kuitenkin hyvä tiedostaa, että kemiallisesti ja fysikaalisesti täydellinen annos ei välttämättä ole ruokailijan mielestä se mieluisin kokemus”, Hopia huomauttaa.

Ympäristö ja seura vaikuttavat ruokailukokemukseen

 

Tunnelmallisessa iltaravintolassa takkatulen ääressä ruokailukokemus on erilainen kuin meluisassa lounaspaikassa. Ympäristön estetiikka ja visuaalisuus, ruoan värikirjo ja astioiden materiaali vaikuttavat. Ei ole lainkaan yhdentekevää, syömmekö posliinilautaselta vai pahvinpalaselta. Sekin merkitsee, nautimmeko ruokaa yksin vai hyvässä seurassa.

”Olenkin usein sanonut, että huono ruoka hyvässä seurassa voi olla mieluisampi kokemus kuin hyvä ruoka huonossa seurassa”.

Myös omat tunnetilat ratkaisevat.
”Sekin vaikuttaa, tunnetko syyllisyyttä syödessäsi kakkupalan”, Hopia pohtii.

Oma persoona, yksilölliset erot, jopa sosiaalipsykologiset ulottuvuudet, aiemmin koetut tilanteet ja omat odotukset vaikuttavat ruokailutilanteessa.
”Silläkin on merkitystä, oletko persoonana yllätyksiä etsivä vai kaihdatko uutta ja odottamatonta”.

Syödessämme eri aistit toimivat yhteistyössä

 

Anu Hopiaa kiinnostaa tutkimuskohteena moniaistisuus, kuinka eri aistimme toimivat ruokailutilanteessa yhdessä ja yhteistyössä.
Perinteisestihän ruokailuun liitetään lähinnä haju- ja makuaistimus, mutta tutkimuksissa on havaittu, että muutkin aistit ovat tärkeitä emmekä sulje niitä pois syödessämme. Moniaistiseen maistamiskokemukseen vaikuttavat merkittävästi näkö- ja hajuaistimus mutta myös kuulo- ja tuntoaistimus.

Brittiläinen kokeellisen psykologian professori Charles Spence Oxfordin yliopistosta on tutkinut moniaistisuutta ja musiikin vaikutusta. Tutkimukset vahvistavat, ettei ole yhdentekevää, mitä taustalla kuulemme kun syömme. Musiikki vaikuttaa siihen, kuinka aistimme ruoan ja juoman.
”Musiikkiin liittyvä tunnetila siirtyy ruokakokemukseen. Melun taas on havaittu vaimentavan makuaistimusta”.

Musiikilla lienee jopa huikeasti suurempi merkitys kuin on osattu aavistaakaan.

”Sveitsissä musiikin on todettu ei-tieteellisessä kokeessa vaikuttavan jopa juustojen kypsymiseen, ja meiltäkin on juuri vertaisarvioinnissa tutkimus, jonka tulokset viittaavat samaan”, Hopia paljastaa.
Kyse ei ole kuitenkaan juuston mikrobien kuulemisesta vaan ääniaaltojen vaikutuksesta fysikaalisina otuksina. Turun yliopistossa on käynnissä tutkimus, jossa työskennellään ääniaaltojen parissa.

”Tutkimme, kuinka ääniaallot vaikuttavat fermentoiviin eli käymisen aiheuttaviin mikrobeihin”, Hopia kertoo.

Molekyyligastronomian uudehko tärkeä tutkimuskohde on Hopian mukaan myös ruoan vaikutus hyvinvointiin.

Entäpä millaisia kemian tutkimusaiheita molekyyligastronomiassa ratkotaan?

Hopia ottaa esimerkiksi ruoan värit, joiden tiedetään vaikuttavan vahvasti ruokailukokemukseen. Molekyyleissä on kromoforeiksi kutsuttuja ryhmiä, jotka yhdessä valon kanssa toimiessaan saavat aikaan värit.

”Molekyylien ja valon vuorovaikutus on se perusta, jolta lähdemme tutkimaan värien kokonaisuutta, kuinka värit vaikuttavat toisiinsa ja kuinka vierekkäiset värit vaikuttavat siihen kuinka näemme ja koemme ne ruoassa”.

Turun yliopistossa on pian valmistumassa mielenkiintoinen väitöskirja värin merkityksestä ruokailukokemukseen.

Anu Hopia on ahkera luennoitsija ja kirjoittaja. Kuvassa hän kertoo ruoanvalmistuksen ihmeellisistä ilmiöistä innostuneelle kuulijakunnalle Tiedekeskus Heurekassa. Kuva: Sisko Loikkanen

Kalenteriin mahtuu kansainvälistä yhteistyötä ja ruokaklubin kokoontumisia

 

Vuosien mittaan Hopia on professorityönsä ohessa luennoinut ahkerasti ruoan kemiasta ja molekyyligastronomiasta myös suurelle yleisölle. Yhteistyöstä kokkien kanssa on putkahtanut kirjoja, ja kursseja ja tapahtumia on järjestetty.

Espanjassa sijaitseva Basque Culinary Centre ja norjalainen kemiasta väitellyt tohtori Erik Fooladi ovat olleet Hopian monivuotisia yhteistyökumppaneita. Erik Fooladin kanssa hän julkaisi kirjan Hyppysellinen tiedettä.

Hopian käynnistämä luonnontieteellis-gastronominen ruokaklubi keittiömestari Tatu Lehtovaaran kanssa on perinne, jolla on kymmenvuotinen historia takana ja toivottavasti useita vuosia edessä.

”Pohdimme klubilla ruoan ja ruoanvalmistuksen ilmiöitä kokeita tehden. Asetelma ei ole se, että toinen osapuoli opettaa ja toinen oppii, vaan vuoropuhelu on vastavuoroista. Olen oppinut keittiömestareilta tosi paljon käytännön kokemuksen tuomaa tietoa ja havaintoja”.

Klubi kokoontuu kerran kuussa useimmiten Helsingin Roihuvuoressa. Tutkimuksen kohteet vaihtelevat mielenkiinnon mukaan aina riisipuuron valmistuksesta pihvinpaistoon. Klubin aluksi Hopia pitää perehdyttävän johdatuksen aiheeseen, samalla kokki kokkailee keittiössä testattavat maistiaiset. Aistinvaraisten arviointien jälkeen seuraa tulosten käsittely, vertailu ja keskustelu. Viimeisin ruokaklubi järjestettiin koronaepidemian vuoksi virtuaalisesti. Klubi jatkuu syksyllä.

Kesäkeittiön kemiaa tapahtumassa oli Anun kanssa mukana luonnontieteellis-gastronomisen ruokaklubin keittiömestari, tietokirjailija ja ruokatuotannon opettaja Tatu Lehtovaara. Kuva: Juho Leikas

Jutun toimitus Sisko Loikkanen

Tutkijat katselevat ilmakehän molekyylitapahtumia kuin suurennuslasilla mutta lisää tutkimusta ja mittausdataa kaivataan yhä

Haastateltavana ovat professori Markku Kulmala ja professori Marja-Liisa Riekkola Helsingin yliopistosta

Ilmakehän kemia on tällä hetkellä melkoista tarkkuustiedettä. Vaikka ilman sisältämien molekyylien tekemisistä tiedetäänkin paljon, yhä lisää dataa ja pitkiä mittaussarjoja kaivataan, jotta ilmastonmuutosta ja ihmisen vaikutusta voidaan arvioida tarkemmin. Helsingin yliopiston Hyytiälän SMEAR II –mittausasemalla on tehty pitkään monitieteistä tutkimusta, jossa on selvitetty ilman fysikaalis-kemiallisia ilmiöitä, biogeenisiä yhdisteitä ja pienhiukkasia.   

Professori Markku Kulmalalla on erinomaisen hyvä näppituntuma ilmakehän kemiaan. Hän johtaa Helsingin yliopiston Ilmakehätieteiden keskusta INARia. Kuva Sisko Loikkanen

Juupajoen Hyytiälä lienee ilmaston vaikutusten osalta yksi eniten tutkittuja paikkoja maailmassa.

 

Juupajoella sijaitseva Hyytiälä on tarjonnut oivallisen ympäristön monitieteiselle tutkijajoukolle, joka on ratkonut metsien, maaperän ja kasvillisuuden vaikutusta ilmastoon. Hyytiälä lienee tässä suhteessa yksi eniten tutkittuja paikkoja maailmassa. Professori Markku Kulmala pystyy suoralta kädeltä kertomaan, kuinka molekyyleistä kehittyy siellä aerosolihiukkasia ja pilvipisaroiden tiivistymisytimiä.

”Hyytiälässä tähän ketjuun osallistuu rikkihappoa, ammoniakkia ja dimetyyliamiinia. Ensin niistä syntyy molekyyliryppäitä, ja kun mukaan tulee hapettuneita hiilivetyjä, ne kasvattavat hiukkaskoon niin suureksi että pystyvät toimimaan pilvipisaroiden tiivistymisytimenä”.

Kulmalan mukaan ilmastonmuutoksen kokonaisvaltaiseen hahmottamiseen kaivataan lisää dataa ja mittauksia globaalisti ja myös erilaisissa ympäristöissä kuten kaupungeissa. Lisäksi tarvitaan pitkiä tutkimus- ja mittaussarjoja satelliiteista, maanpinnalta käsin ja laboratorio-olosuhteissa.

Professori Markku Kulmala kertoo Hyytiälän tilanteesta ja tutkimuksen haasteista.

Ilman molekyylit tutkitaan kemian analytiikan menetelmin

Analyyttisen kemian professori Marja-Liisa Riekkola Helsingin yliopistosta tutkii ryhmineen orgaanisten ja biogeenisten haihtuvien yhdisteiden analysointia ilmanäytteistä. Kuva Linda Tammisto/Helsingin yliopisto
Professori Marja-Liisa Riekkola on yhteistyössä kahden sveitsiläisen yrityksen kanssa ja käyttää miniatyrisoituja, injektioneulaa muistuttavia SPME Arrow- ja ITEX- näytteenottimia, joiden sisältämään materiaaliin ilman yhdisteet adsorboituvat.

Adsorboiva materiaali voi olla hyvinkin selektiivinen niin että sen pintaan kiinnittyvät vain tietynlaiset yhdisteet. Yhdisteet analysoidaan kaasukromatografi-massaspektrometrillä.

Tutkimusryhmä käyttää myös näytteenottimilla varustettua kopteria, jota on lennätetty Hyytiälän ilmatilassa.

Professori Marja-Liisa Riekkola kertoo ilmanäytteiden sisältämien orgaanisten molekyylien analysoinnista.

Ilmanäyte voidaan hakea myös näytteenottimilla varustetulla kopterilla. Kuva Marja-Liisa Riekkola/Helsingin yliopisto
Jutun toimitus Sisko Loikkanen

Tuottelias tutkija Tapio Salmi palkittiin A.I. Virtanen –palkinnolla

Akatemiaprofessori Tapio Salmi Åbo Akademista tutkii katalyysin ihmeellistä ilmiömaailmaa – tavoitteena ovat uudet katalyytit biomassojen hyötykäyttöön     

Akatemiaprofessori Tapio Salmella on aihetta hymyyn. Hänet palkittiin A.I. Virtanen –palkinnolla ja vastikään myös Åbo Akademin kanslerin tunnustuspalkinnolla.

Kemiallisen reaktiotekniikan professori, akatemiaprofessori Tapio Salmi vastaanotti A.I. Virtanen -palkinnon tiistaina 10.12. Säätytalossa. Salmen tutkimusryhmässä Åbo Akademissa etsitään menetelmiä, jotka mahdollistavat biomassan hyödyntämisen prosessien raaka-aineena raakaöljyn sijasta. Keskeinen tutkimusaihe on puun sisältämän hemiselluloosan jalostaminen kemiallisiksi tuotteiksi.

Salmi on tuottelias tutkija, joka on syventänyt tietoa kemiallisten reaktioiden kinetiikasta ja katalyysistä ja ollut mukana laatimassa jopa noin 560 tieteellistä artikkelia.

Podcast 1: Tapio Salmi kommentoi A.I. Virtanen -palkintoaan.

Uusia katalyyttejä kaivataan, kun raakaöljystä vähitellen luovutaan

Tapio Salmi on valtavan innostunut setvimään kemiallisten reaktioiden yksityiskohtia, ja kun hän tällä hetkellä työskentelee jo toista kautta Suomen Akatemian nimeämänä akatemiaprofessorina, hän voi keskittyä täysipainoisesti tutkimukseen ja väitöstutkijoidensa ohjaamiseen. Nykyinen akatemiatoimi jatkuu vuoden 2023 loppuun. Tähän mennessä Salmi on ohjannut jo 62 väitöskirjaa.

Salmen professuurin ala kemiallinen reaktiotekniikka käsittää laajan kokonaisuuden kemian tekniikkaa, kemialliset reaktorit, kemiallisen kinetiikan ja katalyysin.

Viime vuosina Salmi on ratkonut kemiallisten reaktioiden mekanismeja ja nopeutta kiinteän katalyytin pinnalla.

”Akatemiaprofessuurini pääteemana on tutkia reaktioiden mekanismia molekyylitasolla. Päämääränä on hankkia sellaista tietoa, jota voidaan hyödyntää kun kehitetään uusia, parempia katalyyttejä ja optimoidaan reaktio-olosuhteita”, Salmi kertoo.

Uusia katalyyttejä kaivataan, kun raakaöljystä vähitellen luovutaan ja tuotteita aletaan yhä enemmän valmistaa uusiutuvista luonnonvaroista.

”Öljynjalostukseen kehitetyt katalyytit eivät kelpaa sellaisenaan, vaan niitä täytyy muuntaa sopiviksi uusiin prosesseihin ja kehittää myös aivan uusia katalyyttejä”.

Kemiallisen reaktion mekanismin selvittäminen on Salmen mukaan varsin haasteellista. Tutkijan on päästävä perille siitä, kuinka reaktio etenee askel askeleelta katalyytin pinnalla. Ennen lopputuotteen syntymistä reaktio ehtii käydä läpi monia välivaiheita. Ratkaisu etsitään tutkimalla reaktion kulkua ja katalyytin pinnan tapahtumia. Työhön tarvitaan herkkiä, tehokkaita tutkimuslaitteita ja mittausmenetelmiä. Myös kvanttikemiaa hyödynnetään malleineen.

Podcast 2: Tapio Salmi kertoo, kuinka hemiselluloosasta jalostetaan erilaisia tuotteita, kuinka reaktion mekanismia tutkitaan ja kuinka kultananohiukkasetkin kelpaavat katalyytiksi.

Mikroaallot ja ultraääni saavat aikaan reaktioita laboratoriolaitteissa

Uudenlaiset reaktorit tekevät tuloaan kemian tutkimukseen ja vähitellen myös teolliseen tuotantoon. Tapio Salmen tutkimusryhmässä on tutkittu reaktioita, joita on tuotettu mikroaaltojen ja ultraäänen avulla.

Kuuma aihe kemian prosessitekniikan tutkimuksessa on Salmen mukaan prosessien intensivointi, jolla tarkoitetaan prosessilaitteiden pienentämistä ja tehostamista.

Uudehkojen mikroreaktoreiden avulla laitekokoa voidaan pienentää huomattavasti. Niissä reaktiot tapahtuvat kymmenien mikrometrien kokoluokkaa olevissa kanavissa, joiden pinta on päällystetty ohuella katalyyttikerroksella. Mikroreaktoreiden yleistymistä on Salmen mukaan hidastanut kallis hinta, jonka uskotaan kuitenkin laskevan uusien valmistustekniikoiden ansiosta. Keski-Euroopassa mikroreaktoreita käytetään jo teollisuuslaitoksissa.

Podcast 3: Mikroaallot ja ultraäänikin tuottavat kemiallisen reaktion. Mikroreaktoreiden ansiosta laitekoko pienenee. Tapio Salmi kertoo näistä menetelmistä ja paljastaa uuden yllättävän tutkimuslöydön.

Podcast 4: Tapio Salmi kertoo laboratorion mikroaaltoreaktorista

Tapio Salmi esittelee takanaan olevaa laitteistoa

Kuvan mikroaaltoja hyödyntävän reaktorin mikroaaltolähde on hankittu Ranskasta. Laboratorion oma henkilökunta on suunnitellut ja koonnut laitteiston.

Tapio Salmi on kumppaneineen kirjoittanut kemian reaktoritekniikasta 648-sivuisen Chemical Reaction Engineering and Reactor Technology –kirjan.

Jutun toimitus ja kuvat Sisko Loikkanen

Vesi puhtaaksi pintakemian avulla – hankala kiteytyminen kuriin vedenpuhdistuksessa

Haastateltavana vanhempi tutkija Salla Puupponen Kemiran Espoon Suomenojan tutkimuskeskuksesta

Tekniikan tohtori Salla Puupponen on työskennellyt Kemiran tutkimuskeskuksessa parisen vuotta ja ollut tänä aikana mukana useissa tutkimusprojekteissa, joissa on tarvittu osaamista muun muassa pintailmiöiden ja kiteytymisen kemiassa.     

Salla Puupponen arvostaa työnsä vaihtelevuutta ja haastavuutta.

Tutkimusprojekteissa keskeisiä ovat muun muassa pintakemia, kiteytymisen kontrollointi ja nanomateriaalit

 

Kemiran Espoon Suomenojan tutkimuskeskukseen Salla Puupponen tuli vanhemmaksi tutkijaksi väiteltyään sitä ennen Aalto-yliopistossa. Juuri tällä hetkellä hänellä on työn alla projekteja pääosin öljy- ja kaivosteollisuuden sovelluksiin.

”Kyse on siitä, kuinka esimerkiksi öljyntuotantoa voidaan tehostaa ympäristöystävällisesti. Käynnissä on myös paperi- ja selluteollisuuden vedenkäsittelyprojekteja”, Puupponen kertoo.

Salla Puupposen tutkimusprojekteissa keskeisiä ovat muun muassa pintakemia, kiteytymisen kontrollointi ja nanomateriaalit, jotka ovat nanometrien kokoluokkaa olevia hiukkasia tai kolloideja.

”Niiden pinta-ala on suuri mutta tilavuus pieni”, Puupponen selventää.

Kun hienojakoisen aineen pinta-ala on suuri, haluttuun tehovaikutukseen päästään jo hyvin pienellä ainemäärällä. Likahiukkaset napataan vedestä hallitsemalla pikkuriikkisten hiukkasten pintailmiöitä.

”Likahiukkasten pintakemia vaikuttaa siihen millaisia vesikemikaaleja käytetään, ja kemikaalien pinta-alaa ja pintakemiaa voidaan muokata vedenkäsittelykemikaalien avulla”, Puupponen kertoo.

Sallan taustalla on kuvanveistäjä Matti Hauptin teos Atomipoika vuodelta 1972. Teos on Kemiran Espoon Suomenojan tutkimuskeskuksen aulassa.

Kiteytymisen teoriaa ei tunneta tarkasti

 

Puupposen lempiaiheisiin kuuluu kaikille kemisteille tuttu ilmiö, kiteytyminen, jonka parissa hän on myös työskennellyt. Yllättäen Puupponen paljastaa, ettei kiteytymisen teoriaa vieläkään ymmärretä kovin hyvin.

Kiteytymiselle on tyypillistä sattumanvaraisuus, ja usein kiteet alkavat muodostua vasta jonkin ympäristössä tapahtuvan muutoksen myötä. Esimerkiksi Puupponen ottaa tutun virvoitusjuomapullon, jonka sisältö alkaa kiteytyä siinä vaiheessa, kun pullo nostetaan lämpimään ja avataan, jolloin hiilidioksidi pääsee vapautumaan ulos.

Koska haitallisia saostumia syntyy useissa prosesseissa, Kemiran hankkeissa on usein kyse siitä, että kiteytyminen pyritään estämään. Prosessiteollisuudessa saattaa esimerkiksi lämmönsiirtimien pinnalle syntyä saostumia, jotka heikentävät lämmönsiirtoa.

DI-kemistiksi kouluttautunut Puupponen väitteli tohtoriksi Aalto-yliopistossa konetekniikan alalla. Väitöstyössä hän tutki faasimuutosmateriaalia erytritolia, jonka ominaisuuksia hän muunsi sopiviksi pitkäaikaiseen lämmönvarastointiin.

Kiteytymisen teoriaa ymmärretään vielä aika huonosti, Salla Puupponen paljastaa yllättäen.

Seuraavissa podcasteissa Salla Puupponen kertoo työstään pintakemian ja kiteytymisen parissa.

Salla Puupponen kertoo vedenpuhdistuksen pintakemiasta ja tarvittavista kemikaaleista, koagulanteista ja flokkulanteista.

Salla Puupponen kertoo kiteytymisilmiöstä ja sen aiheuttamista ongelmista.

Salla Puupponen kertoo väitöstyöstään, jossa hän tutki faasimuutosmateriaaleja lämmönsiirtosovellukseen. Tutkittava aine oli sokerialkoholi erytritoli.

Jutun toimitus ja kuvat Sisko Loikkanen